WK12 型矿用挖掘机提升机构优化设计

朱宴南，赵炎龙，靳 润，王朝华

1国家电投扎哈淖尔煤业有限公司 内蒙古通辽 029199

2太原科技大学机械工程学院 山西太原 030024

矿用挖掘机广泛应用于露天矿的开采作业[1]，据统计，全世界 2/3 的固体矿物资源采用露天开采，而露天采场中 80% 以上的剥离量和采掘量是用挖掘机械完成的。因此，矿用挖掘机是大型露天矿山开采的关键设备。矿用挖掘机工作过程分为铲斗插入堆料、离开堆料、卸料、复位及行走 5 个动作，依靠推压、提升、回转、开斗、行走机构和其他辅助机构配合完成[2]。其中，提升与推压机构配合完成铲斗插入堆料、离开堆料及卸料等动作[3-4]。

矿用挖掘机工作对象是复杂多样的矿岩，物料特性和爆破质量各不相同，工作中载荷突变性很大，在挖掘过程中易产生交变冲击载荷、振动、电动机堵转等现象。因此，挖掘机工作中提升机构支座始终承受着较大的冲击交变载荷[5]，支座易产生联接松动，导致减速机箱体开裂和润滑油泄露，影响运转[6]。

笔者针对 WK12 型挖掘机提升机构支座存在的问题进行结构优化设计，并利用有限元仿真技术进行新结构的刚度和强度计算，解决了支座开裂和漏油问题，提高了工作可靠性。

1 提升机构

提升机构是铲斗堆料及卸料的驱动部件，如图1 所示。其安装在挖掘机回转中心后部，双电动机驱动，提升电动机通过弹性联轴器与提升减速机以及提升卷筒收放钢丝绳来完成铲斗的升、降运动。

图1 矿用挖掘机提升机构

提升机构由提升电动机、提升轴Ⅰ、提升轴Ⅱ、提升卷筒轴、支座、箱盖等组成，如图2 所示。支座是提升机构载荷传动的支承结构件，通过螺栓安装在中部平台上；主要承力部件包括左支架、右支架和中间支架，3 个支架上方的圆孔内分别安装轴承，且轴心与提升卷筒轴同心。安装时，支座内部与中部平台联接的所有螺栓需要按规定力矩紧固。

图2 提升机构结构

钢丝绳最大提升质量为 120 t，左支架、右支架和中间支架分别承担 30、30、60 t，挖掘机工作载荷突变，中间支架可承受 50 kN 的重力，以防止卷筒轴侧向窜动。WK12 型矿用挖掘机提升机构在突变载荷下，中间支架的刚度明显不足。为此，笔者针对提升机构的传力特点，将中间支架结构改为箱式结构，如图3 所示。

图3 提升机构中间支架改进

2 提升机构支座力学性能分析

采用有限元分析对比原支座和新支座的刚度和强度，将图3 所示支座结构分别导入有限元软件ANSYS 中，建立支座的有限元模型。材料选用普通钢，密度为 7.85×103kg/m3，弹性模量为 210 GPa，泊松比为 0.3，设置单元尺寸为 25 mm。对左支架、右支架和中间支架分别施加 30、30、60 t 的轴承载荷，载荷方向与水平面夹角为 45°；对中间支架圆孔断面施加 50 kN 的侧向力，载荷方向沿轴心，约束支座底面自由度；采用四面体和六面体混合单元划分网格，建立的有限元模型如图4 所示。

图4 支座有限元模型

经过计算，得到原支座的位移和应力分布云图，如图5 所示。原支座的最大位移为 0.88 mm，位于中间支架的轴承上端盖；最大应力为 103.89 MPa，位于中间支架与底座的螺栓连接处；左支架、右支架和中间支架的整体应力约为 20～50 MPa；其他区域的应力均低于 10 MPa，小于材料的屈服强度。这表明原支座的中间支架强度能够满足设计要求。

建立新支座的有限元模型，施加相同的材料属性、载荷和约束条件，经过计算，得到新支座的位移和应力分布云图，如图6 所示。新支座的最大位移为0.35 mm，位于中间支架的轴承上端盖；最大应力为104.5 MPa，位于中间支架与底座的螺栓连接处；左支架、右支架和中间支架的整体应力分布趋势及大小与原支座相近，均小于材料的屈服强度。这表明新支座的中间支架强度能够满足设计要求。

图6 新支座的有限元分析结果

对比分析支座改进前后的力学特性，新支座的位移比原支座减小了 0.53 mm，表明新支座中间支架的刚度提高了 60.23%，新支座的最大应力与原支座基本相同，且应力分布趋势保持一致，均小于材料的屈服强度，提高了结构刚度。

3 结语

针对 WK12 型矿用挖掘机提升机构支座因结构刚度不足而引起的箱体开裂和润滑油泄露问题，设计了一种箱形支座结构，采用有限元分析对比改进前后支座的力学特性。结果表明，改进后，支座的刚度提高了 60.23%，且应力大小及分布与原支座保持一致，大幅提高了结构刚度。